数学技巧中的虚粒子：让量子场论不可能的计算成为可能

首先，我们来了解一下虚粒子的由来。量子场论是粒子物理学标准模型背后的机制，在其中，粒子是存在于空间各处的基本场中的激发。在粒子相互作用中，能量包在这些场之间交换。例如，两个电子——电子场中的激发态，将通过电磁场交换能量而相互排斥。这个过程有点混乱，每个电子都会抖动电磁场，而这些抖动会产生一个反向反应来抖动电子，这反过来又会影响电子抖动电磁场的方式。这是一个无可救药的反应和反作用的反馈循环，不可能完美地计算出来。

但是，它是可以近似的，而且近似结果精确得令人吃惊，这就是微扰理论的用武之地。这就是我们的数学技巧：通过将一组更简单的理想化交互叠加在一起来近似这种单一的多层交互混论。这些相互作用中的每一个都是用简单的粒子（虚粒子）激发和转移来描述的，通过将足够多的这些贡献加在一起，我们就可以在真实交互中近似该场的混乱状态。我们将这些理想化的交互称为场的中间状态或虚拟状态，但实际上这些场从未存在过。

虚粒子与它们的真实对应物共享一些属性，例如像电荷和自旋这样的量子数，但它们不需要遵循爱因斯坦的能量动量的关系。事实上，它们不具有很多真实粒子的物理特性，它们可以有多种质量，它们甚至可以在时间上倒退。这不是什么魔法，这是因为它们不是物理的，虚粒子是我们对场的量子行为的数学表示。

事实上，有一个版本的量子场论根本不使用虚拟粒子，它是晶格场论，其中时空本身是在离散网格上定义的。它不依赖于微扰理论，因此它不使用虚粒子，同时最终也会给出相同的结果。因此，虚粒子可能只是一个数学神器。